science >> Wetenschap >  >> Biologie

Mendels Experimenten: The Study of Pea Plants & Inheritance

Gregor Mendel was een 19e-eeuwse pionier op het gebied van genetica, die tegenwoordig bijna volledig wordt herinnerd voor twee dingen: monnik zijn en meedogenloos verschillende eigenschappen van erwtenplanten bestuderen. Mendel, geboren in 1822 in Oostenrijk, groeide op op een boerderij en studeerde aan de Universiteit van Wenen in de hoofdstad van Oostenrijk.

Daar studeerde hij wetenschap en wiskunde, een combinatie die van onschatbare waarde zou zijn voor zijn toekomstige inspanningen, die hij uitgevoerd gedurende een periode van acht jaar volledig in het klooster waar hij woonde.

Naast het formeel bestuderen van de natuurwetenschappen op de universiteit, werkte Mendel in zijn jeugd als tuinman en publiceerde hij onderzoekspapers over gewasschade door insecten voordat hij zijn nu beroemde werk met Pisum sativum, de gewone erwtplant, oppakte. Hij handhaafde de kloosterkassen en was bekend met de kunstmatige bemestingstechnieken die nodig zijn om een onbeperkt aantal hybride nakomelingen te creëren.

Een interessante historische voetnoot: terwijl Mendel's experimenten en die van de visionaire bioloog Charles Darwin beide grotendeels overlappen , de laatste heeft nooit van de experimenten van Mendel gehoord.

Darwin formuleerde zijn ideeën over erfenis zonder kennis te hebben van Mendels grondig gedetailleerde stellingen over de betrokken mechanismen. Die stellingen blijven het gebied van biologische erfenis in de 21ste eeuw informeren.
Begrip van overerving in het midden van de 19e eeuw

Vanuit het oogpunt van basiskwalificaties was Mendel perfect gepositioneerd om een grote doorbraak te maken in de toen-maar-niet-bestaand veld van genetica, en hij was gezegend met zowel het milieu als het geduld om gedaan te krijgen wat hij moest doen. Mendel zou uiteindelijk groeien en bijna 29.000 erwtplanten bestuderen tussen 1856 en 1863.

Toen Mendel zijn werk met erwtplanten begon, was het wetenschappelijke concept van erfelijkheid geworteld in het concept van gemengde overerving, dat die ouderlijke vasthield eigenschappen werden op de een of andere manier gemengd in nakomelingen op de manier van verschillend gekleurde verven, wat een resultaat opleverde dat niet altijd de moeder was en niet helemaal de vader, maar dat duidelijk op beide leek.

Mendel was intuïtief bewust van zijn informele observatie van planten dat als dit idee enige verdienste had, dit zeker niet van toepassing was op de botanische wereld.

Mendel was niet geïnteresseerd in het uiterlijk van zijn erwtplanten als zodanig. Hij onderzocht ze om te begrijpen welke kenmerken aan toekomstige generaties konden worden doorgegeven en precies hoe dit op een functioneel niveau plaatsvond, zelfs als hij niet de letterlijk middelen had om te zien wat er op moleculair niveau gebeurde.
Erwt Bestudeerde plantkenmerken

Mendel concentreerde zich op de verschillende eigenschappen, of karakters, die hij zag erwtplanten vertonen op een binaire manier. Dat wil zeggen dat een individuele plant versie A van een bepaalde eigenschap of versie B van die eigenschap kan tonen, maar niets daartussenin. Sommige planten hadden bijvoorbeeld erwtenpeulen "opgeblazen", terwijl anderen er "geknepen" uitzagen zonder onduidelijkheid in welke categorie de peulen van een bepaalde plant behoorden.

De zeven eigenschappen die Mendel als nuttig voor zijn doelen had geïdentificeerd en hun verschillende manifestaties waren:

  • Bloemkleur: paars of wit.
  • Bloempositie: axiaal (langs de zijkant van de stengel) of uiteinde (aan het einde van de stengel) .
  • Stamlengte: lang of kort.
  • Podvorm: opgeblazen of geknepen.
  • Podkleur: groen of geel.
  • Zaadvorm: rond of gerimpeld.
  • Zaadkleur: Groen of geel.

    Erwtplantbestuiving

    Erwtplanten kunnen zelf bestuiven zonder hulp van mensen. Hoe nuttig dit ook is voor planten, het introduceerde een complicatie in het werk van Mendel. Hij moest dit voorkomen en alleen kruisbestuiving toestaan (bestuiving tussen verschillende planten), omdat zelfbestuiving in een plant die niet varieert voor een bepaalde eigenschap geen nuttige informatie biedt.

    Met andere woorden , hij moest bepalen welke eigenschappen in de door hem gekweekte planten konden verschijnen, zelfs als hij niet van tevoren precies wist welke zich zouden manifesteren en in welke verhoudingen.
    Mendel's eerste experiment

    Wanneer Mendel begon specifieke ideeën te formuleren over wat hij hoopte te testen en te identificeren, hij stelde zichzelf een aantal basisvragen. Wat zou er bijvoorbeeld gebeuren als planten die waar kweken
    voor verschillende versies van dezelfde eigenschap kruisbestoven waren?

    "Waar kweken" betekent dat ze één en slechts één kunnen produceren type nakomelingen, zoals wanneer alle dochterplanten rondzaaien of axiaal bloeien. Een echte lijn
    toont geen variatie voor de betreffende eigenschap gedurende een theoretisch oneindig aantal generaties, en ook wanneer twee geselecteerde planten in het schema met elkaar worden gekweekt.

  • Om zeker te zijn dat zijn plantenlijnen waar waren, heeft Mendel er twee jaar over gedaan om ze te maken.

    Als het idee van gemengde overerving geldig was, een lijn van, zeg, langstammige planten met een korte lijn -gesteelde planten moeten resulteren in enkele hoge planten, enkele korte planten en planten langs het hoogtespectrum daartussen, in plaats van mensen. Mendel leerde echter dat dit helemaal niet gebeurde. Dit was zowel verwarrend als opwindend.
    Mendel's Generation Assessment: P, F1, F2

    Toen Mendel twee sets planten had die slechts op één eigenschap verschilden, voerde hij een multigenerationele beoordeling uit in een poging om te proberen volgen van de overdracht van eigenschappen door meerdere generaties. Eerst wat terminologie:

  • De oudergeneratie was de P-generatie, en deze omvatte een P1-fabriek waarvan de leden allemaal één versie van een eigenschap vertoonden en een P2-fabriek waarvan de leden allemaal de andere versie toonden.

  • De hybride nakomelingen van de P-generatie waren de F1 (kinderlijke) generatie.
  • De nakomelingen van de F1-generatie was de F2-generatie (de "kleinkinderen" van de P-generatie).

    Dit wordt een monohybride kruis genoemd: "mono" omdat slechts één eigenschap varieerde, en "hybride" omdat nakomelingen een mengsel of hybridisatie van planten vertegenwoordigden als één ouder heeft één versie van de eigenschap, terwijl de andere de versie had.

    Voor dit voorbeeld is deze eigenschap zaadvormig (rond versus gerimpeld). Men zou ook de bloemkleur (wit versus paars) of zaadkleur (groen of geel) kunnen gebruiken.
    Mendel's Results (First Experiment)

    Mendel beoordeelde genetische kruisen van de drie generaties om de te beoordelen erfelijkheid van kenmerken over generaties heen. Toen hij naar elke generatie keek, ontdekte hij dat voor alle zeven van zijn gekozen eigenschappen een voorspelbaar patroon naar voren kwam.

    Bijvoorbeeld, toen hij waargefokte rond-gezaaide planten (P1) kweekte met waargefokte gerimpelde -zaadplanten (P2):

  • Alle planten in de F1-generatie hadden ronde zaden. Dit leek te suggereren dat de gerimpelde eigenschap was uitgewist door de ronde eigenschap.
  • Hij ontdekte echter ook dat, hoewel ongeveer driekwart van de planten in de F2-generatie ronde zaden heeft, ongeveer een vierde van deze planten was gerimpeld zaden. Het is duidelijk dat de gerimpelde eigenschap op de een of andere manier "verborgen" was in de F1-generatie en opnieuw tevoorschijn kwam in de F2-generatie.

    Dit leidde tot het concept van dominante eigenschappen (hier, rond zaden) en recessieve eigenschappen (in dit geval gerimpelde zaden).

    Dit impliceerde dat het fenotype van de planten (hoe de planten er eigenlijk uitzagen) geen strikte weerspiegeling van hun genotype
    (de informatie die eigenlijk op de een of andere manier in de planten was gecodeerd en aan volgende generaties werd doorgegeven).

    Mendel produceerde vervolgens enkele formele ideeën om dit fenomeen te verklaren, beide het mechanisme van erfelijkheid en de wiskundige verhouding van een dominante eigenschap tot een recessieve eigenschap in elke omstandigheid waar de samenstelling van allelparen bekend is.
    Mendel's erfelijkheidstheorie

    Mendel ontwikkelde een erfelijkheidstheorie die uit vier hypothesen bestond :

    1. Genen
      (een gen dat de chemische code voor een bepaalde eigenschap is) kunnen in verschillende typen voorkomen.
    2. Voor elke ch karakteristiek, een organisme erft één allel
      (versie van een gen) van elke ouder.
    3. Wanneer twee verschillende allelen worden geërfd, kan de ene worden uitgedrukt terwijl de andere dat niet is.
      < li> Wanneer gameten (geslachtscellen, die bij mensen spermacellen en eicellen zijn) worden gevormd, worden de twee allelen van elk gen gescheiden.

      De laatste van deze vertegenwoordigt de wet van segregatie, die bepaalt dat de allelen voor elke eigenschap willekeurig in de gameten worden gescheiden.

      Wetenschappers erkennen tegenwoordig dat de P-planten die Mendel "waar" had gekweekt homozygoot
      waren voor de eigenschap die hij bestudeerde: ze hadden twee kopieën van hetzelfde allel in het gen in kwestie.

      Omdat ronde duidelijk dominant was over gerimpeld, kan dit worden weergegeven door RR en rr, aangezien hoofdletters dominantie betekenen en kleine letters recessieve eigenschappen aangeven. Wanneer beide allelen aanwezig zijn, werd de eigenschap van het dominante allel gemanifesteerd in zijn fenotype.
      De monohybride kruisresultaten verklaard

      Op basis van het voorgaande kan een plant met een genotype RR aan het zaadvormgen hebben alleen ronde zaden, en hetzelfde geldt voor het Rr-genotype, omdat het "r" -allel gemaskeerd is. Alleen planten met een rr-genotype kunnen gerimpelde zaden hebben.

      En ja hoor, de vier mogelijke combinaties van genotypen (RR, rR, Rr en rr) leveren een fenotypische verhouding van 3: 1 op, met ongeveer drie planten met ronde zaden voor elke plant met gerimpelde zaden.

      Omdat alle P-planten homozygoot waren, RR voor de ronde zaadplanten en rr voor de gerimpelde zaadplanten, konden alle F1-planten alleen het genotype hebben Rr. Dit betekende dat hoewel ze allemaal ronde zaden hadden, ze allemaal dragers waren van het recessieve allel, dat daarom in de volgende generaties kon verschijnen dankzij de wet van segregatie.

      Dit is precies wat er gebeurde. Gezien F1-planten die allemaal een Rr-genotype hadden, konden hun nakomelingen (de F2-planten) elk van de vier genotypen hierboven hebben. De verhoudingen waren niet precies 3: 1 vanwege de willekeur van de gamete-paren in de bevruchting, maar hoe meer nakomelingen er werden geproduceerd, hoe dichter de verhouding precies 3: 1 kwam te liggen.
      Mendel's Second Experiment

      Vervolgens maakte Mendel dihybride kruisen
      , waarin hij naar twee eigenschappen tegelijk keek in plaats van slechts één. De ouders waren nog steeds waar voor beide eigenschappen, bijvoorbeeld ronde zaden met groene peulen en gerimpelde zaden met gele peulen, met groen dominant over geel. De overeenkomstige genotypen waren daarom RRGG en rrgg.

      Zoals eerder zagen de F1-planten er allemaal uit als de ouder met beide dominante eigenschappen. De verhoudingen van de vier mogelijke fenotypes in de F2-generatie (rond-groen, rond-geel, gerimpeld-groen, gerimpeld-geel) bleken 9: 3: 3: 1 te zijn

      Dit droeg Mendel's vermoeden weg dat verschillende eigenschappen onafhankelijk van elkaar werden geërfd, wat hem ertoe bracht de wet van onafhankelijk assortiment te bepalen. Dit principe verklaart waarom je misschien dezelfde oogkleur hebt als een van je broers en zussen, maar een andere haarkleur; elke eigenschap wordt ingevoerd in het systeem op een manier die blind is voor alle anderen.
      Linked Genes on Chromosomes

      Vandaag weten we dat het echte plaatje iets gecompliceerder is, omdat in feite genen die toevallig dicht bij elkaar op chromosomen liggen, kunnen samen worden geërfd dankzij chromosoomuitwisseling tijdens gametevorming.

      Als je in de echte wereld naar beperkte geografische gebieden van de VS kijkt, zou je verwachten dat meer New York Yankees en Boston Red Sox-fans in de buurt dan Yankees-Los Angeles Dodgers-fans of Red Sox-Dodgers-fans in hetzelfde gebied, omdat Boston en New York dicht bij elkaar liggen en beide op bijna 3000 km van Los Angeles liggen.
      Mendelian Inheritance

      Trouwens, niet alle eigenschappen gehoorzamen dit patroon van erfenis. Maar degenen die dat wel doen, worden Mendeliaanse eigenschappen genoemd. Terugkerend naar het hierboven genoemde dihybride kruis, zijn er zestien mogelijke genotypen:

      RRGG, RRgG, RRGg, RRgg, RrGG, RrgG, RrGg, Rrgg, rRGG, rRgG, rRGg, rRgg, rrGG, rrGg, rrgG, rrgg

      Wanneer u de fenotypes uitwerkt, ziet u dat de waarschijnlijkheidsverhouding van

      rond groen, rond geel, gerimpeld groen, gerimpeld geel

      blijkt 9: 3: 3: 1 te zijn. Mendel's zorgvuldige telling van zijn verschillende plantentypes onthulde dat de verhoudingen dicht genoeg bij deze voorspelling lagen om voor hem te concluderen dat zijn hypothesen correct waren.

    4. Opmerking: een genotype van rR is functioneel equivalent aan Rr. Het enige verschil is welke ouder welk allel bijdraagt aan de mix.